Ultrasonic Level Transmitter Berbasis Mikrokontroler ATmega8 Thiang, Indra Permadi Widjaja, Muliadi Tedjotjahjono Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra Jalan Siwalankerto 121-131 Surabaya 60236 Indonesia Email: thiang@petra.ac.id AbstrakMakalah ini memaparkan tentang pembuatan sebuah alat yang dinamakan ultrasonic level transmitter. Alat ini digunakan untuk mengukur ketinggian di dalam sebuah tangki terbuka. Fitur yang dimiliki ultrasonic level transmitter ini berupa monitor LCD yang menampilkan ketinggian dan udara. Selain tampilan di monitor LCD, alat ini juga mengkonversi ketinggian menjadi output berupa arus listrik dengan range 4 20mA. Alat ini juga dilengkapi dengan fasilitas scaling sehingga skala tampilan ketinggian dapat diatur. Ultrasonic level transmitter ini dirancang berbasis mikrokontroler ATmega8. Sensor yang digunakan untuk mengukur ketinggian adalah ping ultrasonic dan sensor yang digunakan adalah LM35. Pengujian alat telah dilakukan dengan menguji linieritas, resolusi, akurasi dan repeatability. Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan, alat ini dapat berjalan dengan baik dan dapat dikatakan linier dengan nilai koefisien regresi linier adalah r = 0,9999857772. Resolusi alat ini adalah 1 cm, akurasi sebesar 0,53396% dalam persen error dan repeatability 99,98%. kesimpulan dan harapan apa yang telah dikerjakan dapat member kontribusi bagi pada peneliti lain. II. DESKRIPSI SISTEM A. Desain Perangkat Keras Secara keseluruhan desain rangkaian Ultrasonic level transmitter ini disusun dari beberapa rangkaian untuk mendeteksi dan menampilkan ketinggian serta mengirimkan data tersebut melalui transmitter dalam bentuk arus listrik. Gambar 1 berikut menunjukkan blok diagram dari Ultrasonic level transmitter secara keseluruhan. Kata kunci-ultrasonic; level; transmitter; mikrokontroler; ATmega8; sensor I. PENDAHULUAN Sensor ultrasonic telah banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang. Pada umumnya, sensor ultrasonic diaplikasikan untuk mengukur jarak. Salah satu aplikasi terbaru dari sensor ultrasonic adalah sebagai sensor parkir mobil yang dipasang pada bagian belakang mobil. Sensor parkir ini hanya dipakai untuk mendeteksi benda-benda yang ada di belakang mobil dan memberi tanda jarak pada menampilkan jarak dari benda tersebut pada display yang berada di dekat pengemudi. Bila benda tersebut semakin keras. Pada makalah ini dipaparkan tentang aplikasi sensor ultrasonic untuk pengukuran ketinggian dalam sebuah tangki. Sensor ultrasonic yang dirancang dilengkapi dengan transmitter dengan output arus listrik 4 20mA untuk keperluan akusisi data dalam jarak jauh. Ultrasonic level transmitter dirancang dengan bantuan menggunakan mikrokontroler ATmega8. Proses membaca sensor, proses scaling, proses pengolahan data sehingga mendapatkan output data dalam bentuk arus dilakukan oleh mikrokontroler tersebut. Secara detail, perancangan perangkat keras dan perangkat lunak dari ultrasonic level transmitter dibahas pada bagian II makalah ini dan bagian III makalah ini akan memaparkan hasil pengujian yang telah dilakukan. Akhirnya makalah ini ditutup dengan Gambar 1. Blok diagram perangkat keras ultrasonic level transmitter Secara umum ada dua sensor yang digunakan dalam membangun ultrasonic level transmitter. Sensor utama yang digunakan adalah sensor ultrasonic untuk mengukur jarak. Sensor ultrasonic yang digunakan adalah sensor ping)) yang menghasilkan output berupa pulsa. Lebar pulsa yang dikeluarkan adalah waktu yang ditempuh oleh gelombang ultrasonic mulai dari saat dipancarkan sampai gelombang tersebut diterima kembali oleh penerima. Lebar pulsa ini akan diukur oleh mikrokontroler dan kemudian mikrokontorler menghitung jarak yang telah ditempuh oleh gelombang ultrasonic. Sensor kedua adalah sensor yang digunakan untuk mengukur dimana hasil pengukuran ini akan digunakan untuk menghitung jarak dengan memperhatikan kompensasi media transmisi dari ultrasonic. Sensor yang digunakan adalah sensor LM35 yang mempunyai range output tegangan 0 1 volt untuk 0 100 C. Output sensor ini dihubungkan dengan input analog dari mikrokontroler. Karena range tegangan input analog dari mikrokontroler adalah 0 5 volt maka diperlukan sebuah rangkaian span zero untuk menyesuaikan output sensor dengan input mikrokontorler. Rangkaian yang digunakan adalah Universitas Gadjah Mada Yogyakarta, 20 Juli 2010 107
ISSN: 2085-6350 Teknis CITEE 2010 rangkaian non inverting amplifier dengan penguatan lima kali. Gambar rangkaian non inverting amplifier yang digunakan dapat dilihat pada gambar 2. 40 k Ohm dengan tegangan maksimum sebesar 5 V. Raneg output tegangan 0 5 V ini, untuk kemudian diubah oleh rangkaian konversi tegangan menjadi arus untuk diubah kembali menjadi arus 4 20 ma. Rangkaian konversi tegangan menjadi arus dapat dilihat pada gambar 4. Gambar 2. Rangkaian non inverting amplifier Dengan menetapkan resistor input sebesar 10 kohm dan resistor feedback sebesar 40 kohm maka penguatan rangkaian non inverting amplifier adalah lima kali. Mikrokontroler yang digunakan sebagai pengolah data adalah mikrokontroler ATmega8. Rangkaian mikrokontroler ini dirancang dengan mode yang paling sederhana yaitu single chip. Pada mikrokontroler ini, dihunbungkan rangkaian display berupa LCD dan output relay serta input keypad. Hasil pengukuran ketinggian akan ditampilkan pada LCD. Input keypad digunakan untuk setting parameter-parameter yang diperlukan untuk perhitungan dan pengolahan data. Untuk menghasilkan output berupa arus listrik, ada dua rangkaian yang digunakan yaitu digital to analog converter (DAC) dan rangkaian konversi tegangan menjadi arus. Rangkaian DAC berfungsi mengubah data digital yang dikeluarkan oleh mikrokontroler menjadi tegangan analog. Kemudian tegangan analog ini diubah menjadi arus listrik oleh rangkaian konversi tegangan menjadi arus. Komponen DAC yang digunakan dalam alat ini adalah DAC 0808 yang mempunyai resolusi 8 bit. Rangkaian DAC dapat dilihat pada gambar 3. Gambar 4. Rangkaian konversi tegangan menjadi arus listrik Jenis rangkaian konversi tegangan menjadi arus listrik yang digunakan adalah rangkaian dengan grounded load. Transistor 2N3904 hanya berfungsi sebagai current booster sehingga sumber output arus dengan range 4 20 ma bukan berasal dari operational amplifier melainkan langsung dari power supply. Dua buah relay yang disediakan berfungsi untuk pengontrolan atau kontak perangkat keras eksternal misalnya untuk menyalakan pompa, alarm atau kebutuhan lainnya. Kedua relay ini dikontrol oleh mikrokontroler dan akan aktif pada kondisi tertentu yang dapat diset oleh pengguna. Rangkaian koneksi relay dengan mikrokontroler dapat dilihat pada gambar 5. Gambar 5. Rangkaian koneksi relay dengan mikrokontroler Gambar 3. Rangkaian DAC Output sesungguhnya dari rangkaian DAC (gambar 3) adalah arus listrik dengan output maksimal adalah 1 ma. Karena arus ini terlalu kecil dan tidak memenuhi standar 4 20 ma, maka ditambahkan rangkaian operational amplifier pada bagian output DAC untuk mengubah output DAC yang berupa arus listrik menjadi tegangan Untuk mengaktifkan koil relay, dibutuhkan arus sebesar 200 ma. Output mikrokontroler tidak mampu mengeluarkan arus sebesar yang dibutuhkan karena itu digunakan sebuah transistor BD 139 untuk memperbesar arus sehingga dapat mengaktifkan koil relay. B. Desain Perangkat Lunak Secara keseluruhan, flowchart dari perangkat lunak yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar 6. 108 Yogyakarta, 20 Juli 2010 Universitas Gadjah Mada
Start Monitor Fasilitas ini merupakan tampilan utama pada ultrasonic level transmitter yang terdiri atas tampilan, jarak, ketinggian. Menu Monitor Menu zero Menu ini untuk setting nilai zero atau batas bawah. Proses setting nilai zero harus dilakukan untuk kalibrasi pengukuran. Menu Zero dan tentukan nilai Zero Menu span Menu ini merupakan menu untuk setting nilai span atau batas atas. Menu Span dan tentukan nilai Span Menu alarm1 tentukan batas atas dan bawah Menu alarm2 tentukan batas atas dan bawah Save Slot TDK Alarm1 Fasilitas ini untuk setting batas atas dan batas bawah alarm1. Apabila ketinggian di luar range dari setting ini, maka mikrokontroler akan mengaktifkan relay1. Alarm2 Fasilitas ini untuk setting batas atas dan batas bawah alarm2. Apabila ketinggian di luar range dari setting ini, maka mikrokontroler akan mengaktifkan relay2. Menu save slot menu save disediakan untuk menyimpan parameter setting yang telah ditentukan. Pada menu save ini disediakan 4 slot untuk menyimpan 4 macam parameter setting batas atas dan batas bawah. Load Slot Menu load slot Menu load untuk memanggil setting disimpan. yang telah Nilai Offset Kompensasi Menu offset Menu offset ini untuk setting offset dari pengukuran sat ketinggian sama dengan nol. Menu kompensasi. Menu ini untuk menentukan pembacaan ketinggian apakah menggunakan kompensasi atau tidak. Menu output DAC. Menu ini menampilkan output nilai DAC. Output DAC Power Off YA End Gambar 6. Flowchart perangkat lunak secara keseluruhan Dalam aplikasi ultrasonic level transmitter ini, ada beberapa menu dan fasilitas yang telah dibuat, yaitu: Perhitungan ketinggian dilakukan dnegan menggunakan persamaan berikut: Ketinggian = offset jarak (1) Jarak = v x t/2 (2) dimana offset adalah hasil seeting yang dilakukan dengan menggunakan menu offset. v adalah kecepatasn suara di udara dan t adalah waktu yang terukur dari pembacaan sensor ping)). Kecepatan suara merambat diudara dapat dihitung dengan persamaan berikut: (3) Universitas Gadjah Mada Yogyakarta, 20 Juli 2010 109
ISSN: 2085-6350 Teknis CITEE 2010 dimana,, dan. Dengan penyederhanaan, persamaan (3) dapat didekati dengan persamaan berikut: v 0,16565 0,000303. (4) dimana adalah yang terbaca dari sensor LM35. Perhitungan kecepatan suara dengan menggunakan kompensasi dilakukan dengan menggunakan persamaan 4. III. PENGUJIAN SISTEM Pengujian sistem terhadap alat yang dibuat perlu dilakukan untuk mengetahui kinerja secara keseluruhan dari Ultrasonic Level Transmitter. Pengujian sistem yang dilakukan meliputi pengujian akurasi, linieritas, resolusi, repeatability. Pengujian dilakukan pada sebuah tangki yang dibuat dengan ketinggian yang dapat ditampung maksimal 1 meter. A. Pengujian Linieritas dan Akurasi Pengujian linieritas bertujuan untuk menguji apakah hasil pengukuran ketinggian air dari alat ini linier atau tidak, sedangkan akurasi untuk mengetahui apakah hasil pengukurannya akurat atau tidak jika di bandingkan dengan ketinggian air sebenarnya. Akurasi dari alat ini dinyatakan dalam bentuk persen error. Pengujian ini dilakukan dengan kompensasi dan tanpa kompensasi. Sebagian dari hasil pengujian yang dilakukan dapat dilihat pada Tabel I. TABLE I. sebenarnya SEBAGIAN HASIL PENGUJIAN LINIERITAS DAN AKURASI Dengan kompensasi terbaca Akurasi (% error) Tanpa kompensasi terbaca Akurasi (% error) 100 97 3 128 28 110 112 1,8 137 25 120 120 0 150 25 130 132 1,5 162 25 140 141 0.7 170 21 150 149 0,66 178 18,7 160 158 1,25 186 16,3 170 167 1,76 196 15,3 180 177 1,67 206 14 190 188 1,1 216 13,7 200 198 1 225 12,5 210 207 1,4 234 11,4 220 217 1,4 244 10,9 230 228 0,87 255 10,8 240 237 1,25 260 8,3 250 248 0,8 263 5,2 260 258 0,77 271 4,2 270 268 0,74 281 4,1 280 278 0,72 291 3,9 290 288 0,69 297 2,4 300 299 0,33 312 4 310 307 0,97 320 3,2 320 317 0,94 336 5 330 327 0,9 345 4,5 340 337 0,88 355 4,4 350 347 0,86 365 4,3 360 358 0,55 376 4,4 370 367 0,81 385 4,1 380 378 0,53 395 3,9 790 790 0 801 1,3 800 800 0 811 1,3 810 811 0,12 821 1,3 820 820 0 831 1,3 830 830 0 840 1,2 840 840 0 850 1,1 850 850 0 860 1,1 860 860 0 869 1 870 870 0 879 1 880 880 0 889 1 890 890 0 898 8,9 900 900 0 908 0,88 Persen error rata-rata yang dihasilkan dari pengujian adalah 0,53396% untuk pengukuran dengan kompensasi dan 4,59% untuk pengukuran tanpa kompensasi. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa alat ini mempunyai akurasi yang tinggi bila memperhatikan kompensasi. Data hasil pengujian kemudian dioleh dengan regresi linier untuk melihat linieritas dari hasil pengukuran alat ini. Hasil perhitungan regresi linier menunjukkan bahwa alat ini dapat dikatakan linier dengan koefisien regresi linier r = 0,999985772 untuk pengukuran dengan kompensasi dan koefisien regresi linier r = 0,999883176 untuk pengukuran tanpa kompensasi. B. Pengujian Repeatability Pengujian repeatability bertujuan untuk mengetahui apakah hasil pengukuran Ultrasonic Level Transmitter ini konstan atau tidak bila pengukuran ketinggian diilakukan secara berulang-ulang. Pengujian repeatability juga dilakukan dengan kompensasi dan tanpa kompensasi dan masing-masing pengukuran dilakukan sebanyak 10 kali. Hasil pengujian repeatability dapat dilihat pada Tabel II. TABLE II. Sebenarnya HASIL PENGUJIAN REPEATABILITY Dengan kompensasi Repeatability (%) Tanpa kompensasi 100 99,8 99,9 110 Yogyakarta, 20 Juli 2010 Universitas Gadjah Mada
200 99,9 99,9 300 99,9 99,9 400 100 99,9 500 99,8 99,8 600 99,8 99,9 700 99,8 99,7 800 99,9 100 900 99,9 100 1000 100 100 900 100 100 800 100 100 700 100 99,7 600 99,8 100 500 100 100 400 99,9 100 300 99,9 99,9 200 100 100 100 100 99,9 Rata-rata 99,915 99,921 Bila dilihat dari hasil pengujian repeatability baik dengan kompensasi atau pun tanpa kompensasi, dapat disimpulkan bahwa Ultrasonic Level Transmitter ini mempunyai repeatability baik. Ini dibuktikan dengan hasil perhitungan nilai repeatability untuk ketinggian mendekati 100%. IV. KESIMPULAN Dari hasil pengujian dapat diambil kesimpulan bahwa ultrasonic level transmitter yang telah dirancang dapat berjalan dengan baik. Alat ini mempunyai keakuratan yang cukup tinggi dengan persen error rata-rata yang dicapai adalah 0,53396%. Alat ini juga mempunyai linieritas yang tinggi dengan koefisien regresi linier r = 0,9999857772. Alat ini juga mempunyai repeatability yang baik dengan repeatability rata-rata sebesar 99,9%. Dari hasil pengujian juga terlihat bahwa untuk menghasilkan pengukuran yang akurat dengan menggunakan ultrasonic sensor, perlu diperhatikan kompensasi. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa pengukuran dengan kompensasi menghasilkan pengukuran yang lebih akurat. REFERENSI [1] Jacob, J. Michael. Industrial Control Electronics Aplication And Design,. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1988. [2] Parallax inc. Ping))) Ultrasonic Distance Sensor (#28015). 2008. <http://www.parallax.com/portals/0/downloads/docs/prod/acc/28 015-PING-v1.5.pdf> [3] Parallax inc. Chapter #1: Detect Distance with the Ping))). 2005. <http://www.parallax.com/portals/0/downloads/docs/prod/audiovi s/distance28015.pdf> [4] Benson, Tom. Speed Of Sound. USA: NASA, 28 July 2008. <http://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/sound.html> [5] Atmel Corporation. ATMEGA8 Datasheet. 2003. <http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2486. pdf datasheet at mega 8L> Universitas Gadjah Mada Yogyakarta, 20 Juli 2010 111